FR3127337A1 - Circulating batteries with a negolyte based on viologen and a hydro-alcoholic solvent. - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un système électrochimique à circulation comprenant un posolyte et un négolyte dans lequel ledit négolyte comprend un composé viologène et au moins un sel support, dans une solution hydroalcoolique comprenant plus de 50% d’eau et comprenant au moins 5% d’alcool en volume, ledit alcool étant miscible dans l’eau dans les proportions choisies. Figure 1 à publier The present invention relates to a circulating electrochemical system comprising a posolyte and a negolyte in which said negolyte comprises a viologenic compound and at least one carrier salt, in a hydroalcoholic solution comprising more than 50% water and comprising at least 5% alcohol by volume, said alcohol being miscible in water in the chosen proportions. Figure 1 to be published

Description

Batteries à circulation avec un négolyte à base de viologène et d’un solvant hydro-alcoolique.Circulating batteries with a negolyte based on viologen and a hydro-alcoholic solvent.

L’invention concerne le domaine du stockage électrochimique, plus particulièrement celui des batteries à circulation comprenant deux électrolytes liquides.The invention relates to the field of electrochemical storage, more particularly that of flow-through batteries comprising two liquid electrolytes.

La batterie à circulation est une technologie de stockage électrochimique dont le principe général est décrit dans la . La batterie à circulation ou RFB (pour « Redox Flow Battery ») est capable d'emmagasiner de l'énergie électrique quand celle-ci est, par exemple, produite par des éoliennes ou des panneaux solaires, de la stocker, puis de la libérera posteriorisur le réseau électrique. Une batterie à circulation est constituée de deux compartiments comprenant un électrolyte liquide négatif et un électrolyte liquide positif également appelés respectivement négolyte et posolyte, entre lesquels a lieu un transfert d’ions (1) à travers une membrane échangeuse d’ions (2). Chacun des compartiments contient une électrode poreuse (3). Les électrolytes liquides sont constituésa minimad’un solvant (eau ou solvant organique), d’une ou plusieurs espèces électroactives et d’un sel support permettant d’augmenter la conductivité ionique du milieu. Plus précisément, les deux électrolytes sont chacun pompés depuis un réservoir (réservoir électrolyte positif (4) et réservoir électrolyte négatif (5)) jusqu’à une cellule élémentaire (6) constituée de deux compartiments séparés par ladite membrane échangeuse d’ions (2). Cette membrane empêche les deux électrolytes de se mélanger, mais autorise le transfert d’ions de taille réduite entre les solutions pour garder la neutralité électrique. Les compartiments contiennent chacun une électrode, le plus souvent poreuse, où vont avoir lieu les réactions électrochimiques :The circulation battery is an electrochemical storage technology whose general principle is described in the . The circulation battery or RFB (for "Redox Flow Battery") is able to store electrical energy when it is, for example, produced by wind turbines or solar panels, to store it, then to release it. a posteriori on the electrical network. A flow-through battery consists of two compartments comprising a negative liquid electrolyte and a positive liquid electrolyte also called respectively negolyte and posolyte, between which a transfer of ions (1) takes place through an ion exchange membrane (2). Each of the compartments contains a porous electrode (3). Liquid electrolytes consist of at least one solvent (water or organic solvent), one or more electroactive species and a support salt making it possible to increase the ionic conductivity of the medium. More specifically, the two electrolytes are each pumped from a reservoir (positive electrolyte reservoir (4) and negative electrolyte reservoir (5)) to an elementary cell (6) consisting of two compartments separated by said ion exchange membrane (2 ). This membrane prevents the two electrolytes from mixing, but allows the transfer of small ions between the solutions to maintain electrical neutrality. The compartments each contain an electrode, most often porous, where the electrochemical reactions will take place:

  • lors d’une charge, de l’énergie électrique est apportée à la batterie via un onduleur/chargeur (7), les espèces électroactives du négolyte se réduisent et celles du posolyte s’oxydent en s’échangeant des électrons via le circuit électrique,during charging, electrical energy is supplied to the battery via an inverter/charger (7), the electroactive species of the negolyte are reduced and those of the posolyte oxidize by exchanging electrons via the electrical circuit,
  • lors d’une décharge, les réactions inverses ont lieu en restituant l’énergie électrique et en échangeant les électrons via le circuit électrique.during a discharge, the reverse reactions take place by restoring the electrical energy and exchanging the electrons via the electrical circuit.

Quel que soit le système, des pertes électriques ont lieu à cause des pertes ohmiques dues à la résistance électrique des différents matériaux, à la cinétique des réactions électrochimiques, à la diffusion des espèces et à l’énergie utilisée par les pompes. Aujourd’hui les meilleures batteries commerciales arrivent à atteindre des rendements énergétiques de 70 à 80%.Whatever the system, electrical losses occur because of ohmic losses due to the electrical resistance of the different materials, the kinetics of electrochemical reactions, the diffusion of species and the energy used by the pumps. Today the best commercial batteries manage to achieve energy yields of 70 to 80%.

Les batteries à circulation, contrairement aux autres batteries solides, ont l’avantage de pouvoir décorréler leur puissance de leur capacité. En effet, leur capacité va directement être reliée au volume des électrolytes et leur puissance à la surface des cellules et à leur nombre. Ces batteries sont donc adaptées à du stockage sur des temps longs (de plusieurs heures à plusieurs jours) et pour de grandes capacités (plusieurs MWh).Circulating batteries, unlike other solid-state batteries, have the advantage of being able to decorrelate their power from their capacity. Indeed, their capacity will be directly related to the volume of the electrolytes and their power to the surface of the cells and to their number. These batteries are therefore suitable for long-term storage (from several hours to several days) and for large capacities (several MWh).

Les batteries à circulation les plus connues sont à base de vanadium. La compétitivité de cette technologie est aujourd’hui limitée par la volatilité du prix du vanadium, sa toxicité et des conditions de pH très corrosives nécessaires pour assurer une bonne solubilité des espèces électroactives. Il a donc été envisagé de remplacer le vanadium par des espèces électroactives organiques. La grande variété existante de molécules et le potentiel de synthèse important permettent d’envisager des molécules peu chères à produire, sans éléments rares, éventuellement biosourcées, facilement recyclables et avec des performances électrochimiques du même ordre de grandeur, voire meilleures que les batteries au vanadium.The best known circulating batteries are based on vanadium. The competitiveness of this technology is currently limited by the volatility of the price of vanadium, its toxicity and the very corrosive pH conditions necessary to ensure good solubility of the electroactive species. It has therefore been envisaged to replace the vanadium by organic electroactive species. The large existing variety of molecules and the significant potential for synthesis make it possible to envisage molecules that are inexpensive to produce, without rare elements, possibly biosourced, easily recyclable and with electrochemical performances of the same order of magnitude, or even better than vanadium batteries. .

Les propriétés des électrolytes organiques aqueux sont intéressantes. En effet, les solvants organiques sont fortement limités en conductivité ionique, ce qui a pour conséquence de limiter la puissance de la batterie. De plus, ces solvants apportent des contraintes sécuritaires supplémentaires en particulier en termes d’inflammabilité.The properties of aqueous organic electrolytes are interesting. Indeed, organic solvents are highly limited in ionic conductivity, which has the consequence of limiting the power of the battery. In addition, these solvents bring additional safety constraints, particularly in terms of flammability.

Une molécule d’intérêt pour les batteries à circulation organique en milieu aqueux doit avoir les propriétés suivantes :A molecule of interest for organic circulation batteries in an aqueous medium must have the following properties:

  • Un potentiel électrochimique adapté,An adapted electrochemical potential,
  • Une cinétique rapide,Fast kinetics,
  • Une diffusion rapide,rapid dissemination,
  • Une solubilité élevée (avec si possible plusieurs électrons échangés par molécule),High solubility (with if possible several electrons exchanged per molecule),
  • Une stabilité élevée,High stability,
  • Une absence de diffusion à travers les membranes,An absence of diffusion through the membranes,
  • Un prix de synthèse faible.A low synthetic price.

Une molécule idéale est donc un compromis entre plusieurs propriétés souvent antinomiques.An ideal molecule is therefore a compromise between several often conflicting properties.

Ces propriétés sont aussi recherchées pour des molécules actives utilisées comme électrodes organiques dans les batteries au lithium. La différence est que les molécules doivent au contraire être insolubles dans des solvants organiques, ce qui revient souvent à des molécules très solubles dans l’eau.These properties are also sought for active molecules used as organic electrodes in lithium batteries. The difference is that the molecules must instead be insoluble in organic solvents, which often amounts to molecules that are very soluble in water.

Les viologènes ont été étudiés pour les batteries à circulation depuis quelques années. Les demandes de brevets de l’Utah State University US2018072669 et US2020168910 décrivent l’utilisation de la famille des viologènes et des dérivés de 4,4’-bipyridine dans les négolytes de batteries à circulation aqueuses. Seuls, les viologènes avec des groupes méthyl, triméthylaminepropyl et sulfopropyl ont été testés dans un électrolyte comprenant comme solvant de l’eau. Le comportement de ces viologènes en milieu purement aqueux a ensuite été détaillé dans la littérature (voir les références 1 à 8). Le brevet CN111244518 décrit de manière spécifique l’utilisation des viologènes (en particulier le méthyl viologène) dans un électrolyte avec du bromure de potassium et avec un posolyte à base de brome. L’utilisation des viologènes dans les batteries à circulation a aussi été mentionnée dans la demande de brevet WO19245461. Dans ce dernier, le composé viologène est associé à une espèce redox solide et sert de médiateur entre la cellule électrochimique et le solide stocké dans un réservoir. De plus, les viologènes sont également cités dans le brevet US10424806, mais comme électrolyte pour les batteries à circulation en solvant organique.Violinogens have been studied for flow-through batteries for some years. Utah State University patent applications US2018072669 and US2020168910 describe the use of the viologen family and 4,4'-bipyridine derivatives in aqueous circulating battery negolytes. Only viologens with methyl, trimethylaminepropyl and sulfopropyl groups were tested in an electrolyte comprising water as solvent. The behavior of these viologens in a purely aqueous medium has subsequently been detailed in the literature (see references 1 to 8). Patent CN111244518 specifically describes the use of viologens (in particular methyl viologen) in an electrolyte with potassium bromide and with a bromine-based posolyte. The use of viologens in flow-through batteries has also been mentioned in patent application WO19245461. In the latter, the viologenic compound is associated with a solid redox species and serves as a mediator between the electrochemical cell and the solid stored in a reservoir. In addition, viologens are also cited in patent US10424806, but as an electrolyte for organic solvent circulation batteries.

A. Jouhara, E. Quarez, F. Dolhem, M. Armand, N. Dupré, P. Poizot, Angew. Chem. Int. Ed. 16 (2019) 859 ont décrit le diacétate viologène comme molécule électroactive pour les batteries solides anion-ion organiques.A. Jouhara, E. Quarez, F. Dolhem, M. Armand, N. Dupré, P. Poizot, Angew. Chem. Int. Ed. 16 (2019) 859 described viologenic diacetate as an electroactive molecule for solid organic anion-ion batteries.

De manière inattendue, la Demanderesse a découvert que l’utilisation d’un négolyte comprenant :Unexpectedly, the Applicant discovered that the use of a negolyte comprising:

-un composé de type viologène de formule (I),-a viologen-type compound of formula (I),

Avec L1et L2chacun indépendamment sélectionnés parmi les groupes constitués des chaines C1-C12alkyle, C1-C12alcényle, C1-C12alcynyle et C1-C4alkyl-(OCH2CH2)n, R1et R2sont sélectionnés indépendamment parmi les groupes -H, -NO3, -OR3, -N(R3)m,-C(O)R3, -C(O)OR3, -S(O)m, -PO3, -S(O)mR3, -OP(O)(OR3)2, -OCH2, -(C(R3)2CN, aryle substitué et hétéroaryle substitué, dans lequel R3est à chaque occurrence sélectionné indépendamment parmi les groupes -H, alkyle, cycloalkyle, hétérocycloalkyle, aryle, hétéroaryle, alkyle-N(R4)m, alkyle-S(O)m, un groupe protecteur d’oxygène et un groupe protecteur d’azote et R4à chaque occurrence est sélectionné indépendamment parmi les groupes -H , alkyle, cycloalkyle, hétérocycloalkyle, aryle, hétéroaryle, un groupe protecteur d’oxygène et un groupe protecteur d’azote,With L 1 and L 2 each independently selected from the groups consisting of the chains C 1 -C 12 alkyl, C 1 -C 12 alkenyl, C 1 -C 12 alkynyl and C 1 -C 4 alkyl-(OCH 2 CH 2 ) n , R 1 and R 2 are independently selected from -H, -NO 3 , -OR 3 , -N(R 3 ) m , -C(O)R 3 , -C(O)OR 3 , -S( O) m , -PO 3 , -S(O) m R 3 , -OP(O)(OR 3 ) 2 , -OCH 2 , -(C(R 3 ) 2 CN, substituted aryl and substituted heteroaryl, wherein R 3 is at each occurrence independently selected from -H, alkyl, cycloalkyl, heterocycloalkyl, aryl, heteroaryl, alkyl-N(R 4 ) m , alkyl-S(O) m , an oxygen protecting group and an protecting group and R 4 at each occurrence is independently selected from -H , alkyl, cycloalkyl, heterocycloalkyl, aryl, heteroaryl, an oxygen protecting group and a nitrogen protecting group,

-au moins un sel support nécessaire pour une conductivité ionique suffisante et le transfert de charge sous forme ionique au travers de la membrane lors des cycles de charge et de décharge de la batterie, le sel support provenant soit du sel associé au viologène, soit par un sel ajouté, soit par les deux.-at least one support salt necessary for sufficient ionic conductivity and the transfer of charge in ionic form through the membrane during the charging and discharging cycles of the battery, the support salt coming either from the salt associated with the viologen, or from added salt, or both.

-et un solvant hydro-alcoolique à une teneur en eau supérieure ou égale à 50% ;-and a hydro-alcoholic solvent with a water content greater than or equal to 50%;

permettait d’obtenir des batteries (ou systèmes électrochimiques) aux propriétés intéressantes et qui permettent notamment de résoudre les inconvénients des systèmes de l’art antérieur.made it possible to obtain batteries (or electrochemical systems) with interesting properties and which make it possible in particular to solve the drawbacks of the systems of the prior art.

On entend par « groupement protecteur d’azote » des substituants pouvant être introduits pour protéger les groupes fonctionnels contenant de l’azote (par exemple -NH2or NHR) de réactions indésirables. Les groupes protecteurs d’azote peuvent notamment être choisis parmi les composés suivants : p-méthoxyphényle ("PMP"), benzyle, méthyle, triphénylméthyle, pivaloyle, pyrrolidinylméthyle, t-butoxycarbonyle, silyle, acétyle, benzyloxycarbonyle (Cbz) et triméthylsilyéthoxyméthyle (SEM).The term “nitrogen protecting group” means substituents which can be introduced to protect the functional groups containing nitrogen (for example —NH 2 or NHR) from undesirable reactions. The nitrogen protecting groups can in particular be chosen from the following compounds: p-methoxyphenyl ("PMP"), benzyl, methyl, triphenylmethyl, pivaloyl, pyrrolidinylmethyl, t-butoxycarbonyl, silyl, acetyl, benzyloxycarbonyl (Cbz) and trimethylsilyethoxymethyl (SEM ).

On entend par « groupement protecteur d’oxygène » des substituants pouvant être introduits pour protéger les groupes fonctionnels contenant de l’oxygène (par exemple -OH) de réactions indésirables. Les groupes protecteurs d’oxygène peuvent notamment être choisis parmi les éthers de silyle, les éthers de méthyle, les éthers d'alkyle, les éthers de benzyle, les esters, les benzoates, les carbonates et les sulfonates.By "oxygen-protecting group" is meant substituents which can be introduced to protect the functional groups containing oxygen (for example -OH) from undesirable reactions. The oxygen protecting groups can in particular be chosen from silyl ethers, methyl ethers, alkyl ethers, benzyl ethers, esters, benzoates, carbonates and sulphonates.

Références bibliographiquesBibliographic references

1. C. DeBruler, B. Hu, J. Moss, X. Liu, J. Luo, Y. Sun, T.L. Liu, Chem 3 (2017) 961–978.1. C. DeBruler, B. Hu, J. Moss, X. Liu, J. Luo, Y. Sun, T.L. Liu, Chem 3 (2017) 961–978.

2. C. DeBruler, B. Hu, J. Moss, J. Luo, T.L. Liu, ACS Energy Lett. 3 (2018) 663–668.2. C. DeBruler, B. Hu, J. Moss, J. Luo, T.L. Liu, ACS Energy Lett. 3 (2018) 663–668.

3. E.S. Beh, D. de Porcellinis, R.L. Gracia, K.T. Xia, R.G. Gordon, M.J. Aziz, ACS Energy Lett. 2 (2017) 639–644.3. E.S. Beh, D. de Porcellinis, R.L. Gracia, K.T. Xia, R.G. Gordon, M.J. Aziz, ACS Energy Lett. 2 (2017) 639–644.

4. B. Hu, C. DeBruler, Z. Rhodes, T.L. Liu, J. Am. Chem. Soc. 139 (2017) 1207–1214.4. B. Hu, C. DeBruler, Z. Rhodes, T.L. Liu, J. Am. Chem. Soc. 139 (2017) 1207–1214.

5. B. Hu, C. Seefeldt, C. DeBruler, T.L. Liu, J. Mater. Chem. A 5 (2017) 22137–22145.5. B. Hu, C. Seefeldt, C. DeBruler, T.L. Liu, J. Mater. Chem. A5 (2017) 22137–22145.

6. B. Hu, Y. Tang, J. Luo, G. Grove, Y. Guo, T.L. Liu, Chemical communications (Cambridge, England) 54 (2018) 6871–6874.6. B. Hu, Y. Tang, J. Luo, G. Grove, Y. Guo, T.L. Liu, Chemical communications (Cambridge, England) 54 (2018) 6871–6874.

7. T. Liu, X. Wei, Z. Nie, V. Sprenkle, W. Wang, Adv. Energy Mater. 6 (2016) 1501449.7. T. Liu, X. Wei, Z. Nie, V. Sprenkle, W. Wang, Adv. Energy Mater. 6 (2016) 1501449.

8. Y. Liu, Y. Li, P. Zuo, Q. Chen, G. Tang, P. Sun, Z. Yang, T. Xu, ChemSusChem (2020).8. Y. Liu, Y. Li, P. Zuo, Q. Chen, G. Tang, P. Sun, Z. Yang, T. Xu, ChemSusChem (2020).

9. A. Jouhara, E. Quarez, F. Dolhem, M. Armand, N. Dupré, P. Poizot, Angew. Chem. 16 (2019) 859.9. A. Jouhara, E. Quarez, F. Dolhem, M. Armand, N. Dupré, P. Poizot, Angew. Chem. 16 (2019) 859.

L’invention concerne un système électrochimique à circulation comprenant un posolyte et un négolyte, dans lequel ledit négolyte comprend un composé viologène de formule (I) et au moins un sel support dans une solution hydroalcoolique comprenant plus de 50% d’eau et comprenant au moins 5% d’alcool en volume, ledit alcool étant miscible dans l’eau dans les proportions choisies,The invention relates to a circulating electrochemical system comprising a posolyte and a negolyte, in which said negolyte comprises a viologenic compound of formula (I) and at least one carrier salt in a hydroalcoholic solution comprising more than 50% water and comprising at least 5% alcohol by volume, said alcohol being miscible in water in the chosen proportions,

Avec L1et L2chacun indépendamment sélectionnés parmi les groupes constitués des chaines alkyle comprenant de 1 à 12 atomes de carbone, les chaînes alcényle comprenant de 1 à 12 atomes de carbone, les chaînes alcynyle comprenant de 1 à 12 atomes de carbone et les chaînes alkyl-(OCH2CH2)n, lachaîne alkyl comprenant de 1 à 4 atomes de carbone, R1et R2étant sélectionnés indépendamment parmi les groupes -H, -NO3, -OR3, -N(R3)m,-C(O)R3, -C(O)OR3, -S(O)m, -PO3, -S(O)mR3, -OP(O)(OR3)2, -OCH2, -(C(R3)2CN, aryle substitué et hétéroaryle substitué, R3étant à chaque occurrence sélectionné indépendamment parmi les groupes -H, alkyle, cycloalkyle, hétérocycloalkyle, aryle, hétéroaryle, alkyle-N(R4)m, alkyle-S(O)m, un groupe protecteur d’oxygène et un groupe protecteur d’azote, R4à chaque occurrence étant sélectionné indépendamment parmi les groupes -H , alkyle, cycloalkyle, hétérocycloalkyle, aryle, hétéroaryle, un groupe protecteur d’oxygène et un groupe protecteur d’azote.With L 1 and L 2 each independently selected from the groups consisting of alkyl chains comprising from 1 to 12 carbon atoms, alkenyl chains comprising from 1 to 12 carbon atoms, alkynyl chains comprising from 1 to 12 carbon atoms and alkyl-(OCH 2 CH 2 ) n chains, the alkyl chain comprising from 1 to 4 carbon atoms, R 1 and R 2 being selected independently from the groups -H, -NO 3 , -OR 3 , -N(R 3 ) m , -C(O)R 3 , -C(O)OR 3 , -S(O) m , -PO 3 , -S(O) m R 3 , -OP(O)(OR 3 ) 2 , -OCH 2 , -(C(R 3 ) 2 CN, substituted aryl and substituted heteroaryl, R 3 being at each occurrence selected independently from the groups -H, alkyl, cycloalkyl, heterocycloalkyl, aryl, heteroaryl, alkyl-N(R 4 ) m , alkyl-S(O) m , an oxygen protecting group and a nitrogen protecting group, R 4 at each occurrence being independently selected from -H , alkyl, cycloalkyl, heterocycloalkyl, aryl, heteroaryl, a oxygen protecting group and a nitrogen protecting group.

Ladite solution hydroalcoolique peut comprendre au moins un alcool choisi parmi : méthanol, éthanol, 1-propanol, isopropanol, 1-butanol, 2-butanol,tert-butanol, isobutanol, phénol, éthylène glycol.Said hydroalcoholic solution may comprise at least one alcohol chosen from: methanol, ethanol, 1-propanol, isopropanol, 1-butanol, 2-butanol, tert -butanol, isobutanol, phenol, ethylene glycol.

Ledit au moins un alcool peut être choisi parmi l’isopropanol, l’éthanol, le tert-butanol, et le méthanol.Said at least one alcohol can be chosen from isopropanol, ethanol, tert-butanol, and methanol.

La concentration en alcool dans la solution hydro-alcoolique peut être supérieure ou égale à 10% en volume, de préférence supérieure ou égale à 20% en volume.The alcohol concentration in the hydro-alcoholic solution may be greater than or equal to 10% by volume, preferably greater than or equal to 20% by volume.

Ledit composé viologène peut être choisi parmi le N, N’ diacétate viologène, le N,N’-diméthyl viologène, le N,N’-disulfopropyl viologène et le N-acétate-N’-sulfopropyl viologène.Said viologenic compound can be chosen from viologenic N,N' diacetate, viologenic N,N'-dimethyl, viologenic N,N'-disulfopropyl and viologenic N-acetate-N'-sulfopropyl.

Ledit posolyte peut comprendre au moins un composé choisi parmi les composés suivants : ferrocyanure de potassium ou de TEMPOsulfate de lithium , potassium ou de sodium, ou le bis ((3-triméthyl ammonio) propyl) ferrocène, seuls ou en mélange, en solution aqueuse ou en solution hydroalcoolique.Said posolyte may comprise at least one compound chosen from the following compounds: potassium ferrocyanide or lithium, potassium or sodium TEMPO sulfate, or bis ((3-trimethyl ammonio) propyl) ferrocene, alone or in a mixture, in aqueous solution or in hydroalcoholic solution.

Ledit posolyte peut contenir également également au moins un sel support en solution.Said posolyte may also also contain at least one carrier salt in solution.

Ledit au moins un sel support du négolyte et/ou du posolyte peut être choisi parmi les sels de formule A-B dans lequel A est un cation choisi parmi Na+, K+, Li+, NR4 +, R-pyridinium, R- pyrrolidium, ou R- imidazolium; R étant un radical hydrogène, alkyl, cycloalkyl, hétérocyclyl, aryl, ou hétéroaryl; et
B est un anion choisi parmi F-, Cl-, Br-, SO4 2-, SO3 2-, BO3 3-, B4O7 2-,OH-, CO3 2-, ClO4 -, H2PO4 -, HPO4 2-, PO4 3-, NO3 -, N3 -, CN-, -N(CN)2 -, SCN-, CH3OSO3 -, CH3SO3 -ledit au moins un sel support étant de préférence choisi parmi NaCl, KCl, ou NH4Cl.
Said at least one support salt of the negolyte and/or of the posolyte can be chosen from the salts of formula AB in which A is a cation chosen from Na + , K + , Li + , NR 4 + , R-pyridinium, R-pyrrolidium , or R-imidazolium; R being a hydrogen, alkyl, cycloalkyl, heterocyclyl, aryl, or heteroaryl radical; And
B is an anion selected from F - , Cl - , Br - , SO 4 2- , SO 3 2- , BO 3 3- , B 4 O 7 2- , OH - , CO 3 2- , ClO 4 - , H 2 PO 4 - , HPO 4 2- , PO 4 3- , NO 3 - , N 3 - , CN - , -N(CN) 2 - , SCN - , CH 3 OSO 3 - , CH 3 SO 3 - said au least one support salt preferably being chosen from NaCl, KCl, or NH 4 Cl.

La concentration en sel(s) support(s) dans chacun dudit négolyte et éventuellement dudit posolyte peut être comprise entre 0,5 M à 4 M, de manière très préférée entre 0,8 M et 2 M, par rapport au volume total de négolyte et/ou de posolyte.The concentration of support salt(s) in each of said negolyte and optionally of said posolyte may be between 0.5 M and 4 M, very preferably between 0.8 M and 2 M, relative to the total volume of negolyte and/or posolyte.

La concentration en composé viologène de formule (I) dans ledit négolyte peut être comprise entre 0,1 M et 2 M, de préférence entre 0,3 et 1 M par rapport au volume total de négolyte.The concentration of viologenic compound of formula (I) in said negolyte can be between 0.1 M and 2 M, preferably between 0.3 and 1 M relative to the total volume of negolyte.

Le système électrochimique selon l’invention peut comprendre :The electrochemical system according to the invention may comprise:

-un réservoir de posolyte (4)-a posolyte tank (4)

-un réservoir de négolyte (5)-a negolyte tank (5)

- une cellule élémentaire (6) constituée de deux compartiments séparés par une membrane échangeuse d’ions (2) comprenant respectivement ledit négolyte et ledit posolyte,- an elementary cell (6) consisting of two compartments separated by an ion exchange membrane (2) respectively comprising said negolyte and said posolyte,

- une électrode poreuse (3) dans chaque compartiment.- a porous electrode (3) in each compartment.

Liste des figuresList of Figures

[Fig 1][Fig 1]

La représente le schéma de fonctionnement d’une batterie à circulation.There represents the diagram of operation of a circulating battery.

[FIg 2][Fig 2]

La représente des exemples de composés viologènes.There represents examples of viologenic compounds.

La figure 2a représente la formule chimique de la 4,4’-bipyridine.Figure 2a shows the chemical formula of 4,4'-bipyridine.

La figure 2b représente le mécanisme selon lequel les composés de type viologène peuvent échanger deux électrons en se réduisant sous une forme radicalaire intermédiaire.Figure 2b depicts the mechanism by which viologen-like compounds can exchange two electrons by reducing to an intermediate radical form.

Les figures 2c à 2f présentent des exemples de composés à motif viologène utilisables dans le négolyte des batteries à circulation selon l’invention : le N,N’-diméthylviologène MV (c), le N,N’-disulfopropyl viologène SPrV (d), le N,N’-diacétate viologène AcV (e) et le N-acétate-N’-sulfopropyl viologène AcSPrV (f).Figures 2c to 2f show examples of compounds with a viologenic unit that can be used in the negolyte of flow-through batteries according to the invention: N,N'-dimethylviologen MV (c), N,N'-disulfopropyl viologen SPrV (d) , the viologenic N,N'-diacetate AcV (e) and the viologenic N-acetate-N'-sulfopropyl AcSPrV (f).

[Fig 3][Fig 3]

La présente une courbe de voltampérométrie cyclique d’une batterie selon l’exemple 1 avec un négolyte à base de N,N’-diacétate viologène à 1 mM avec KCl 1 M dans l’eau pure (comparatif, en traits pleins) et dans une solution hydroalcoolique correspondant à un mélange eau/isopropanol 80/20 volume (selon l’invention, en traits pointillés).There presents a cyclic voltammetry curve of a battery according to example 1 with a negolyte based on 1 mM viologenic N,N'-diacetate with 1 M KCl in pure water (comparative, in solid lines) and in a hydroalcoholic solution corresponding to an 80/20 volume water/isopropanol mixture (according to the invention, in dotted lines).

[Fig 4][Fig 4]

La présente un cycle de charge et décharge (pour une batterie à circulation selon l’exemple 1 avec une solution de 50 mL de N,N’-diacétate viologène 0,4 M et KCl 1 M dans a) de l’eau pure (comparatif) et b) un mélange eau/isopropanol 80/20 volvs.Ferrocyanure 0,4 M dans KCl 1 M comme posolyte (selon l’invention).There shows a charge and discharge cycle (for a circulating battery according to Example 1 with a solution of 50 mL of 0.4 M viologenic N,N'-diacetate and 1 M KCl in a) pure water (comparative ) and b) an 80/20 vol vs. water/isopropanol mixture. 0.4 M ferrocyanide in 1 M KCl as posolyte (according to the invention).

[Fig 5][Fig 5]

La présente un diagramme en bâtons de 20 cycles de charge-décharge pour une batterie à circulation selon l’exemple 1 N,N’-diacétate viologène AcV/Ferrocyanure pour des cellules contenant de l’eau pure (comparatif) et un mélange eau/isopropanol 80/20 vol (selon l’invention).There presents a bar diagram of 20 charge-discharge cycles for a circulating battery according to example 1 N,N'-viologenic diacetate AcV/Ferrocyanide for cells containing pure water (comparative) and a water/isopropanol mixture 80/20 vol (according to the invention).

[Fig 6][Fig 6]

La présente les capacités sur trois cycles de deux batteries à circulation selon l’exemple 1 AcV N,N’-diacétate viologène /TEMPO sulfate de potassium avec un négolyte dont le solvant est de l’eau pure (comparatif) et dont le solvant est un mélange eau/isopropanol 80/20 vol. (selon l’invention), opérées dans les mêmes conditions.There presents the capacities over three cycles of two circulating batteries according to example 1 AcV N,N'-diacetate viologen / TEMPO potassium sulphate with a negolyte whose solvent is pure water (comparative) and whose solvent is a water/isopropanol mixture 80/20 vol. (according to the invention), operated under the same conditions.

[Fig 7][Fig 7]

La présente la voltampérométrie cyclique d’une batterie à circulation selon l’exemple 2 comprenant du N,N’-disulfopropyl viologène à 1mM avec KCl 1M dans l’eau pure (comparatif) et un mélange eau/isopropanol 80/20 vol (selon l’invention).There presents the cyclic voltammetry of a flow-through battery according to Example 2 comprising 1 mM N,N'-disulfopropyl viologen with 1M KCl in pure water (comparative) and an 80/20 vol water/isopropanol mixture (according to the 'invention).

[Fig 8][Fig 8]

La présente la capacité en charge C et en décharge D cycle par cycle N de batteries selon l’exemple 2 avec une solution de 100 mL de ferrocyanure 0,4 M et KCl 1M dans l’eau pure comme posolyte et une solution de 90 mL de N,N’-disulfopropyl viologène 0,4 M et KCl 1 M dans de l’eau (1C et 1D) et dans un mélange eau/isopropanol 80/20 volv s .Ferrocyanure 0,4 M dans KCl 1 M comme posolyte (2C et 2D).There presents the charging capacity C and discharging capacity D cycle by cycle N of batteries according to example 2 with a solution of 100 mL of 0.4 M ferrocyanide and 1 M KCl in pure water as posolyte and a 90 mL solution of N,N'-disulfopropyl viologen 0.4 M and KCl 1 M in water (1C and 1D) and in an 80/20 vol v s water/isopropanol mixture . 0.4 M ferrocyanide in 1 M KCl as posolyte (2C and 2D).

[Fig 9][Fig 9]

La présente la voltampérométrie cyclique d’une batterie à circulation selon l’exemple 3 avec du N,N’-diméthyl viologène à 1 mM avec KCl 1 M dans l’eau pure (comparatif, courbe avec les symboles X), un mélange eau/tert-butanol 95/05 vol (○) et 80/20 vol (□).There presents the cyclic voltammetry of a flow-through battery according to Example 3 with 1 mM N,N'-dimethyl viologen with 1 M KCl in pure water (comparative, curve with X symbols), a water/ tert -butanol 95/05 vol (○) and 80/20 vol (□).

[Fig 10][Fig 10]

La présente la charge d’une batterie selon l’exemple 3 avec le N,N’-diméthyl viologène comme négolyte en solution dans a) l’eau et b) un mélange eau/tert-butanol 80/20 vol (Ubatt (X) et I( ). Les conditions sont : Umax = 1 V et I = 500 mA avec une solution de 100 mL de ferrocyanure 0,4 M et KCl 1M dans l’eau pure comme posolyte et une solution de 90 mL de N,N’-diméthyl viologène 0,4 M et KCl 1 M dans a) de l’eau (comparatif) et b) un mélange eau/tert-butan-2-ol 80/20 vol (selon l’invention).There shows the charging of a battery according to Example 3 with N,N'-dimethyl viologen as negolyte in solution in a) water and b) an 80/20 vol water/ tert -butanol mixture (Ubatt (X) and I( ) The conditions are: Umax = 1 V and I = 500 mA with a solution of 100 mL of 0.4 M ferrocyanide and 1 M KCl in pure water as posolyte and a solution of 90 mL of N,N 0.4 M '-dimethyl viologen and 1 M KCl in a) water (comparative) and b) an 80/20 vol water/tert-butan-2-ol mixture (according to the invention).

[Fig 11][Fig 11]

La présente la voltampérométrie cyclique d’une batterie selon l’exemple 4 avec du N,N’-diméthyl viologène à 1mM avec KCl 1M dans l’eau pure (comparatif, courbe avec les symbolesx) et dans un mélange eau/isopropanol 95/05 vol (○), 90/10 vol (□) et 80/20 vol (+).There presents the cyclic voltammetry of a battery according to example 4 with 1 mM N,N'-dimethyl viologen with 1M KCl in pure water (comparative, curve with the symbols x ) and in a water/isopropanol mixture 95/ 05 vol (○), 90/10 vol (□) and 80/20 vol (+).

[Fig 12][Fig 12]

La présente la voltampérométrie cyclique d’une batterie selon l’exemple 5 du N,N’-diméthyl viologène à 1mM avec KCl 1M dans l’eau pure (comparatif, courbe avec les symbolesx) et un mélange eau/éthanol 95/05 vol (○), 90/10 vol (□) et 60/40 vol (+).There presents the cyclic voltammetry of a battery according to example 5 of N,N'-dimethyl viologen at 1 mM with KCl 1M in pure water (comparative, curve with the symbols x ) and a water/ethanol mixture 95/05 vol (○), 90/10 vol (□) and 60/40 vol (+).

[Fig 13][Fig 13]

La présente la voltampérométrie cyclique d’une batterie selon l’exemple 6 avec du N,N’-diméthyl viologène à 1mM avec KCl 1M comme sel support, dans l’eau pure (comparatif, courbe avec les symboles x) et un mélange eau/méthanol 80/20 vol (selon l’invention, ○).There presents the cyclic voltammetry of a battery according to Example 6 with 1 mM N,N'-dimethyl viologen with 1M KCl as support salt, in pure water (comparative, curve with the symbols x) and a water/ 80/20 vol methanol (according to the invention, ○).

[Fig 14][Fig 14]

La présente la voltampérométrie cyclique d’une batterie selon l’exemple 7 avec du N,N’-diméthyl viologène à 1mM avec KCl 1M dans l’eau pure (comparatif, courbe avec les x) et un mélange eau/butan-2-ol 91/9 vol (selon l’invention, ○).There presents the cyclic voltammetry of a battery according to example 7 with 1 mM N,N'-dimethyl viologen with 1M KCl in pure water (comparative, curve with the x's) and a water/butan-2-ol mixture 91/9 vol (according to the invention, ○).

Claims (11)

Système électrochimique à circulation comprenant un posolyte et un négolyte dans lequel ledit négolyte comprend un composé viologène de formule (I) et au moins un sel support dans une solution hydroalcoolique comprenant plus de 50% d’eau et comprenant au moins 5% d’alcool en volume, ledit alcool étant miscible dans l’eau dans les proportions choisies,

Avec L1et L2chacun indépendamment sélectionnés parmi les groupes constitués des chaines alkyle comprenant de 1 à 12 atomes de carbone, les chaînes alcényle comprenant de 1 à 12 atomes de carbone, les chaînes alcynyle comprenant de 1 à 12 atomes de carbone et les chaînes alkyl-(OCH2CH2)n , lachaîne alkyl comprenant de 1 à 4 atomes de carbone, R1et R2étant sélectionnés indépendamment parmi les groupes -H, -NO3, -OR3, -N(R3)m,-C(O)R3, -C(O)OR3, -S(O)m, -PO3, -S(O)mR3, -OP(O)(OR3)2, -OCH2, -(C(R3)2CN, aryle substitué et hétéroaryle substitué, R3étant à chaque occurrence sélectionné indépendamment parmi les groupes -H, alkyle, cycloalkyle, hétérocycloalkyle, aryle, hétéroaryle, alkyle-N(R4)m, alkyle-S(O)m, un groupe protecteur d’oxygène et un groupe protecteur d’azote, R4à chaque occurrence étant sélectionné indépendamment parmi les groupes -H , alkyle, cycloalkyle, hétérocycloalkyle, aryle, hétéroaryle, un groupe protecteur d’oxygène et un groupe protecteur d’azote.
Circulating electrochemical system comprising a posolyte and a negolyte in which said negolyte comprises a viologenic compound of formula (I) and at least one carrier salt in a hydroalcoholic solution comprising more than 50% water and comprising at least 5% alcohol by volume, said alcohol being miscible in water in the chosen proportions,

With L 1 and L 2 each independently selected from the groups consisting of alkyl chains comprising from 1 to 12 carbon atoms, alkenyl chains comprising from 1 to 12 carbon atoms, alkynyl chains comprising from 1 to 12 carbon atoms and alkyl-(OCH 2 CH 2 ) n chains , the alkyl chain comprising from 1 to 4 carbon atoms, R 1 and R 2 being selected independently from the groups -H, -NO 3 , -OR 3 , -N(R 3 ) m , -C(O)R 3 , -C(O)OR 3 , -S(O) m , -PO 3 , -S(O) m R 3 , -OP(O)(OR 3 ) 2 , -OCH 2 , -(C(R 3 ) 2 CN, substituted aryl and substituted heteroaryl, R 3 being at each occurrence selected independently from the groups -H, alkyl, cycloalkyl, heterocycloalkyl, aryl, heteroaryl, alkyl-N(R 4 ) m , alkyl-S(O) m , an oxygen protecting group and a nitrogen protecting group, R 4 at each occurrence being independently selected from -H , alkyl, cycloalkyl, heterocycloalkyl, aryl, heteroaryl, a oxygen protecting group and a nitrogen protecting group.
Système électrochimique à circulation selon la revendication 1 dans lequel ladite solution hydroalcoolique comprend au moins un alcool choisi parmi : méthanol, éthanol, 1-propanol, isopropanol, 1-butanol, 2-butanol,tert-butanol, isobutanol, phénol, éthylène glycol.Circulating electrochemical system according to Claim 1, in which the said hydroalcoholic solution comprises at least one alcohol chosen from: methanol, ethanol, 1-propanol, isopropanol, 1-butanol, 2-butanol, tert -butanol, isobutanol, phenol, ethylene glycol. Système électrochimique selon la revendication 2 dans lequel ledit au moins un alcool est choisi parmi l’isopropanol, l’éthanol, letert-butanol, et le méthanol.Electrochemical system according to Claim 2, in which the said at least one alcohol is chosen from isopropanol, ethanol, tert -butanol, and methanol. Système électrochimique selon l’une des revendications précédentes dans lequel la concentration en alcool dans la solution hydro-alcoolique est supérieure ou égale à 10% en volume, de préférence supérieure ou égale à 20% en volume.Electrochemical system according to one of the preceding claims, in which the alcohol concentration in the hydro-alcoholic solution is greater than or equal to 10% by volume, preferably greater than or equal to 20% by volume. Système électrochimique selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel ledit composé viologène est choisi parmi le N, N’ diacétate viologène, le N,N’-diméthyl viologène, le N,N’-disulfopropyl viologène,etle N-acétate-N’-sulfopropyl viologène.Electrochemical system according to one of Claims 1 to 4, in which the said viologenic compound is chosen from N,N' diacetate viologen, N,N'-dimethyl viologen, N,N'-disulfopropyl viologen, and N-acetate- N'-sulfopropyl viologen. Système électrochimique à circulation selon l’une des revendications précédentes dans lequel ledit posolyte comprend au moins un composé choisi parmi les composés suivants : ferrocyanure de potassium ou de TEMPOsulfate de lithium, potassium ou de sodium, ou le bis ((3-triméthyl ammonio) propyl) ferrocène, seuls ou en mélange, en solution aqueuse ou en solution hydroalcoolique.Circulating electrochemical system according to one of the preceding claims, in which the said posolyte comprises at least one compound chosen from the following compounds: potassium ferrocyanide or lithium, potassium or sodium TEMPOsulfate, or bis ((3-trimethyl ammonio) propyl) ferrocene, alone or as a mixture, in aqueous solution or in hydroalcoholic solution. Système électrochimique selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel ledit posolyte contient au moins un sel support en solution.Electrochemical system according to one of Claims 1 to 6, in which the said posolyte contains at least one carrier salt in solution. Système électrochimique selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel ledit au moins un sel support du négolyte et/ou du posolyte est choisi parmi les sels de formule A-B dans lequel A est un cation choisi parmi Na+, K+, Li+, NR4 +, R-pyridinium, R- pyrrolidium, ou R- imidazolium; R étant un radical hydrogène, alkyl, cycloalkyl, hétérocyclyl, aryl, ou hétéroaryl; et B est un anion choisi parmi F-, Cl-, Br-, SO4 2-, SO3 2-, BO3 3-, B4O7 2-,OH-, CO3 2-, ClO4 -, H2PO4 -, HPO4 2-, PO4 3-, NO3 -, N3 -, CN-, -N(CN)2 -, SCN-, CH3OSO3 -, CH3SO3 -, ledit au moins un sel support étant de préférence choisi parmi NaCl, KCl, ou NH4Cl.Electrochemical system according to one of Claims 1 to 7, in which the said at least one support salt of the negolyte and/or of the posolyte is chosen from the salts of formula AB in which A is a cation chosen from Na + , K + , Li + , NR 4 + , R-pyridinium, R-pyrrolidium, or R-imidazolium; R being a hydrogen, alkyl, cycloalkyl, heterocyclyl, aryl, or heteroaryl radical; and B is an anion selected from F - , Cl - , Br - , SO 4 2- , SO 3 2- , BO 3 3- , B 4 O 7 2- ,OH - , CO 3 2- , ClO 4 - , H 2 PO 4 - , HPO 4 2- , PO 4 3- , NO 3 - , N 3 - , CN - , -N(CN) 2 - , SCN - , CH 3 OSO 3 - , CH 3 SO 3 - , said at least one support salt preferably being chosen from NaCl, KCl, or NH 4 Cl. Système électrochimique selon l’une des revendications 1 à 8 dans lequel la concentration en sel(s) support(s) dans chacun dudit négolyte et éventuellement dudit posolyte est comprise entre 0,5 M à 4 M, de manière très préférée entre 0,8 M et 2 M, par rapport au volume total de négolyte et/ou de posolyte.Electrochemical system according to one of Claims 1 to 8, in which the concentration of carrier salt(s) in each of said negolyte and optionally of said posolyte is between 0.5 M and 4 M, very preferably between 0. 8 M and 2 M, relative to the total volume of negolyte and/or posolyte. Système électrochimique selon l’une des revendications précédentes dans lequel la concentration en composé viologène de formule (I) dans ledit négolyte est comprise entre 0,1 M et 2 M, de préférence entre 0,3 et 1 M par rapport au volume total de négolyte.Electrochemical system according to one of the preceding claims, in which the concentration of viologenic compound of formula (I) in the said negolyte is between 0.1 M and 2 M, preferably between 0.3 and 1 M with respect to the total volume of negolyte. Système électrochimique à circulation selon l’une des revendications précédentes comprenant :
-un réservoir de posolyte (4)
-un réservoir de négolyte (5)
- une cellule élémentaire (6) constituée de deux compartiments séparés par une membrane échangeuse d’ions (2) comprenant respectivement ledit négolyte et ledit posolyte,
- une électrode poreuse (3) dans chaque compartiment.
Electrochemical circulation system according to one of the preceding claims comprising:
-a posolyte tank (4)
-a negolyte tank (5)
- an elementary cell (6) consisting of two compartments separated by an ion exchange membrane (2) respectively comprising said negolyte and said posolyte,
- a porous electrode (3) in each compartment.
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